CN105194728A - 一种可降解生物活性多孔陶瓷材料、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可降解生物活性多孔陶瓷材料、制备方法及其应用。多孔陶瓷材料中包括钙镁硅酸盐和钙磷酸盐，其中钙镁硅酸盐重量百分数含量为40～98％，其中钙镁硅酸盐是镁质量百分含量为0.2～3.0％的硅灰石或假硅灰石，钙磷酸盐是磷酸三钙、磷灰石或者二者的复合物。制备是将合成的钙镁硅酸盐、钙磷酸盐粉体复合，再经增材制造和烧结处理而得。本发明中多孔陶瓷材料可以对整形外科、颌面外科、脑外科、口腔科、骨科或眼科中涉及的骨缺损进行骨诱导和传导再生修复，在大段肢体骨缺损骨重建中也具有应用价值。

Description

一种可降解生物活性多孔陶瓷材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及生物医用材料，尤其是涉及用于促进骨缺损再生修复的一种生物活性陶瓷多孔材料、制备方法及应用。

背景技术

因机械冲击、病变和其它手术需要造成骨流失的再生修复是生物医用材料领域的研究热点和难题。人体各部位骨骼的形态、厚度、受力载荷水平不尽相同，以及不同年龄、病理条件下骨骼损伤修复的效率也不完全相同。长期以来，人类主要依赖于自体骨、异体骨以及动物骨或者具有较高力学承载能力的金属、合金或者稳定性极高的惰性陶瓷、聚合物材料对人体骨缺损进行修补、填充、替代等处理。尽管骨骼具有良好的自我再生能力，但是填充生物惰性人工材料造成损伤部位的骨骼并不能自我再生修复；填充修补物仅仅发挥力学支撑，或者保护其它组织器官、避免受损等功能。Hench率先发现由CaO-SiO₂-P₂O₅-Na₂O组分烧制而成的玻璃态材料(45S5)具有良好生物活性，以及人们对钙磷酸盐材料的充分研究，发现由某些无机氧化物或陶瓷人工材料能促进骨损伤再生修复，并且材料具有缓慢降解性能，使得骨损伤能完全修复。上世纪80年代日本学者Kokubo等人将一定比例氧化物CaO-SiO₂-P₂O₅-Na₂O-MgO-CaF₂复合，采用高温熔融煅烧工艺制备出非完全结晶的玻璃-陶瓷材料，这种玻璃-陶瓷材料中含有磷灰石(Apatite)与硅灰石(Wollastonite)结晶相，故而又称A-W玻璃-陶瓷，该玻璃-陶瓷中还含有少量镁和氟，以及少量玻璃相，其块体材料的强度和模量极高，并在脊柱融合等手术上得到应用，近年来也有开发为多孔陶瓷的研究。但是，A-W玻璃-陶瓷的极高模量和高度稳定性存在材料组织接触界面骨吸收和长期残存与体内等问题。同时，迄今人们的研究和临床发现，45S5生物玻璃、羟基磷灰石(HA)陶瓷、β-磷酸三钙(β-TCP)陶瓷等的块材降解太过缓慢、力学性能差，或者生物活性较差等问题，利用这些材料构建的多孔支架材料，力学强度低下、生物活性不足或者降解速率无法与人体骨再生修复匹配，因而无法解决大量临床问题。

近年来，人们发现一些钙-硅基矿物材料能与骨组织直接骨性结合，并且能快速刺激成骨相关(干)细胞的增殖和分化，并显著促进骨再生修复效率。如硅灰石(即β-硅酸钙)、假硅灰石(即α-硅酸钙)及其含较高镁含量(3.5～16wt％)的矿物质如白硅钙石(Ca₇Mg(SiO₄)₄)、镁蔷薇橄榄石(Ca₃Mg(SiO₄)₂)、镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇)、透辉石(CaMgSi₂O₆)、镁钙橄榄石(CaMgSiO₄)等被证实具有各自独特的生物学效应和力学性能(DibaM,等.CurrentOpinSolidStateMaterSci.2012；3:221–253)。但是，硅灰石多孔材料降解过快，难以再生成骨(XuS,等.Biomaterials,2008,29:2588–2596)；由钙镁硅酸盐矿物材料构筑的多孔材料其抗压强度(60％孔隙率抗压强度低于30MPa)和抗弯力学强度(60％孔隙率抗压强度低于10MPa)太低，远不能适应于各种肢体承重部位的力学支撑以及颅颌面部位薄壁骨损伤(要求多孔材料抗折能力强)的需求。尽管有学者通过掺杂氧化钛、石墨烯、碳纳米管等进行增强可以将多孔材料的抗压强度提升到40～50MPa水平，但是仍然存在加工性能差以及这些添加物难降解、生物相容性差的问题。此外，由这些已有材料进行机械混合研制的多孔陶瓷复合材料仍然不能改善其力学性能以及降解速率与骨再生效率匹配等关键问题。

申请人发展的一种镁低浓度掺杂硅灰石陶瓷，显示出极为优良的综合力学性能，如其烧结致密块体陶瓷的抗压、抗弯强度分别达到400～760MPa和120～150MPa，比纯硅灰石提高3倍以上，该陶瓷的杨氏模量、弹性模量均处于人体皮质骨的模量水平，尤其是断裂韧性达到3.2～3.6MPa·m^-1/2，是纯硅灰石的4倍，因而极为有利于加工成为多孔性材料，尤其是厚度极薄的片层状多孔材料，实现对人体承重骨、颅颌面薄壁骨损伤重建与再生修复。另一方面，被广泛研究和临床应用的磷酸盐陶瓷如磷灰石、磷酸三钙以及二者复合的双相陶瓷具有良好骨传导性，但是降解缓慢，其多孔材料的力学强度极差。

根据现有技术研究来看，迫切需要探索在化学组成、力学性能以及生物学效应上均满足临床上人体内各种骨损伤快速、完全修复更为理想的高强度、可降解以及易于加工成型的生物活性多孔陶瓷材料，这样的材料具备在细胞及分子水平上实现对成骨相关细胞增殖、分化的主动调控，并且其微结构和孔道相互贯通条件下的力学支撑足以支撑承重骨或者薄壁骨损伤再生修复的加工要求和修复过程需求，从而成为解决临床上不同骨损伤适应症问题。

发明内容

本发明的目的在于提供孔道完全贯通的降解速率可调的生物活性陶瓷多孔材料、制备方法及应用，能够明显促进骨损伤快速、完全再生修复的多孔生物陶瓷材料，并且多孔陶瓷生物材料的外观可以依据骨损伤的形态进行个体化定制。

本发明采用的技术方案是：

一、一种可降解生物活性陶瓷多孔材料

本发明其成分主要包括可生物降解性的钙镁硅酸盐和钙磷酸盐，且其中钙镁硅酸盐重量百分数含量为40～98％；它是由镁低浓度掺杂硅酸钙形成的钙镁硅酸盐与钙磷酸盐进行复合，再经增材制造和烧结制备而成的材料。镁仅仅极少部分替代硅酸钙晶体中的钙晶格位置或者掺入其晶格空位，其中镁在钙镁硅酸盐中的质量百分数为0.2～3.0％，多孔陶瓷材料的孔道尺度为100～700μm，孔隙率为30～80％，外观形态与骨丢失部位形态相匹配。

优选地，所述钙镁硅酸盐是镁低浓度掺杂硅灰石、假硅灰石钙或两者任意比例的复合物，多孔陶瓷材料经X-射线衍射仅能检测到硅酸钙的结晶相，氧化镁、硅酸镁或其它钙镁硅酸盐矿物质不显示在衍射图谱中。

优选地，所述的钙磷酸盐是磷酸三钙、磷灰石或者二者的复合物，磷酸三钙与磷灰石复合物之间比例没有严格限制。

优选地，所述的多孔陶瓷材料内贯通孔道的孔道形态可以是为圆形、三角形、四边形、蜂窝形、多边形或者阿基米德螺旋弧形。

优选地，所述的钙磷酸盐中还掺杂有铜、锌和硼中的一种或几者的任意比例组合。

二、一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将可溶性钙盐、镁盐溶解于去离子水中，调节溶液的pH为9.0～11.0，再将该溶液滴加到连续搅拌的硅酸钠溶液中，镁离子、钙离子、硅酸根离子的摩尔比为1:(7～500):(7～500)，滴加完后下继续搅拌陈化一段时间，然后经过滤、洗涤、干燥处理，并在800～1200℃下煅烧后得到钙镁硅酸盐粉体；

2)将可溶性钙盐和磷酸盐分别溶解于去离子水中，调节两种溶液的pH值为7.5～11.5，再将钙盐溶液滴加到连续搅拌的磷酸盐溶液中，磷酸根离子与钙离子的摩尔比为1:(1.0～1.67)，滴加完后下继续搅拌陈化一段时间，然后经过滤、洗涤、干燥处理，在800～1250℃下煅烧后得到钙磷酸盐粉体；

3)步骤1)和2)得到的钙镁硅酸盐和钙磷酸盐粉体进行混合并球磨处理，混合物中钙镁硅酸盐的质量百分数为40～98％，再将球磨后的混合粉体按固/液质量比为1:(0.7～1.4)分散到含有质量浓度为4～7％聚乙烯醇的水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物；

4)将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，按预设外观和孔道形态打印出多孔材料；

5)再将步骤4)得到的多孔材料干燥除去水分，在1000～1350℃下烧结1～8小时，从而得到可降解生物活性多孔陶瓷材料。

所述的步骤1)和步骤2)中调节pH值使用的溶液为氨水。

所述的钙盐是硝酸钙、氯化钙、或乙酸钙，所述的镁盐是硝酸镁、氯化镁或乙酸镁，所述的可溶性磷酸盐是磷酸钠、磷酸钾、磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸氢二铵的一种或任意几种的组合。

所述的烧结处理过程为一步烧结或两步烧结。

所述的孔道形态为圆形、三角形、四边形、蜂窝形、多边形或者阿基米德螺旋弧形。

所述的钙镁硅酸盐是镁低浓度掺杂硅灰石、假硅灰石或两者任意比例的复合物，多孔陶瓷材料经X-射线衍射仅能检测到硅酸钙的结晶相，氧化镁、硅酸镁或其它钙镁硅酸盐矿物质不显示在衍射图谱中；所述的钙磷酸盐是磷酸三钙、磷灰石或者二者的复合物，磷酸三钙与磷灰石复合物之间比例没有严格限制，磷酸三钙可以是β-磷酸三钙或者α-磷酸三钙。

所述的钙磷酸盐中还掺杂有铜、锌和硼中的一种或几者的任意比例组合。

所述步骤4)替换为：将混匀糊状物采用增材制造方法、多孔泡沫模板或者微球颗粒堆砌模板制备方法构建制成生物活性多孔陶瓷材料。

本发明制备过程中，通过改变打印喷头直径和糊状物墨水线的间距，可以调节多孔材料中的孔道尺度和孔隙率。

本发明制备过程中，对制备打印糊状物墨水的粘结剂种类不存在严格限制。

本发明制备过程中，通过改变打印材料预设外观形态，可调节多孔材料中的外观形态和尺度。

本发明制备过程中，通过改变烧结温度制度可调节多孔材料的力学强度、降解性和生物活性。

三、本发明的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的应用

所述多孔陶瓷材料在整形外科、颌面外科、口腔科、脑外科、骨科或眼科的骨缺损原位修复和骨再生中的应用。

本发明具有的有益效果是：

1)从组成与生物学效应关系上看，镁低浓度掺杂不仅延缓了硅灰石或假硅灰石的降解速率而有利于与骨再生匹配，同时引入比镁低浓度掺杂硅灰石和假硅灰石降解性更低的钙磷酸盐，更加有利于调节多孔陶瓷复合材料的降解速率与人体不同部位骨骼损伤再生修复效率匹配性问题；其次，多孔陶瓷材料降解过程释放的钙、磷、硅、镁多元生物活性离子的组合物极为有利于促进成骨相关细胞增殖、分化和矿化，因而这种组成形成最佳互补性，更加适合用于促进骨再生的人工骨修复材料的制造。

2)从(微)结构与生物学效应关系上看，由增材制造技术构建的多孔材料，孔道壁无缺陷、孔道的尺度大小和形态完全一致并可调，孔道之间贯通孔尺度也易于调节等独特优点，这种完全相互贯通的多孔网络有利于成骨相关(干)细胞迁移、血管再生，并且进而发挥基于微结构规整性的力学增强效应。其次，增材制造技术的独特优势可以按特定骨损伤的形态进行三维扫描并重建，复制缺损外观，从而构建具有与骨缺损部位完全匹配的多孔陶瓷生物活性材料能与骨损伤形成完美契合，能缩短急性炎症反应并避免慢性炎症反应，从而有利于加快骨再生效率和进程。

3)从组成与力学性能关系上看，镁低浓度掺杂硅灰石、假硅灰石极大地提升了材料的力学强度，并具有极为优良的综合力学性能，从而有效避免了常规钙-硅基、钙-镁-硅基、钙-磷基化合物单一物质或者复合物运用增材制造技术无法构建较高孔隙率条件下的高强度多孔陶瓷材料的重大问题。同时，钙磷酸盐与高强度镁低浓度掺杂硅灰石、假硅灰石复合不会引起较大力学性能衰减，因而这种复合物极为有利于薄壁骨和承重骨损伤修复用多孔陶瓷的加工制备和应用。

因此，这种促骨再生修复的综合力学性能优异的可降解生物活性多孔陶瓷材料显著的特征是:经个体化定制构建的人工骨与缺损形成完全契合，并在修复过程长期发挥力学支撑功能，完全贯通的多孔网络不仅能方便成骨相关细胞和新生血管长入，而且降解速率经镁离子的调控，与骨再生所需的降解进程更为匹配，同时多孔材料降解释放的多元生物活性离子组合物对成骨相关(干)细胞的活性、增殖、分化和成骨矿化发挥刺激与促进作用，极大地改进了目前常规多孔复相陶瓷的多种性能。

此外，本发明的材料制备工艺简单，多孔陶瓷材料的外观形态、孔道尺度、贯通孔尺度均易于调节，多孔材料的烧结性能、力学性能、生物学效应的协同调控与优化，极为有利于包括颅颌面骨、眼眶骨、牙槽骨、肢体骨、脊柱等众多部位骨损伤直接填充修复和骨再生组织工程在内的多种应用需求。

本发明的可降解生物活性多孔陶瓷材料可以在整形外科，颌面外科，脑外科，骨科，口腔科或眼科的骨缺损修复以及骨再生医学中的应用。

附图说明

图1是实施例1镁掺杂硅灰石粉体的XRD图。

图2是实施例1镁掺杂硅灰石和磷酸三钙复合陶瓷多孔材料外观显微镜图。

图3是实施例1镁掺杂硅灰石与磷酸三钙复合陶瓷多孔材料断面形貌SEM图。

图4是实施例1镁掺杂硅灰石和磷酸三钙复合陶瓷多孔材料表面生物活性SEM图。

图5是实施例1镁掺杂硅灰石和磷酸三钙复合陶瓷多孔材料在模拟体液中浸泡前后的抗压、抗弯强度结果示意图。

图6是实施例2掺镁硅灰石-假硅灰石和磷灰石复合陶瓷多孔材料瓷在模拟体液中浸泡前后抗压、抗弯强度结果示意图。

图7是实施例3由镁掺杂假硅灰石与双相磷酸钙复合的多孔陶瓷多孔材料在模拟体液中浸泡前后抗压、抗弯强度结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。实施例所使用试剂纯度均不低于其分析纯试剂纯度指标。

实施例1：

1)将500mL的0.40mol/LCa(NO₃)₂、0.04mol/LMg(NO₃)₂水溶液的pH值用氨水调节到为10.0，再将该溶液逐滴滴加到体积为500mL的0.44mol/LNa₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌8小时，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤1次，在120℃下烘干，经850℃下煅烧3小时，再球磨4小时，从而获得颗粒度在0.5～3μm的镁掺杂粉体。经X-射线衍射测试(如附图1所示)，证明该粉体物相为纯β-硅酸钙，经原子吸收光谱分析测试，粉体中镁质量含量为2.1％。

2)将500mL的0.60mol/LCa(NO₃)₂水溶液的pH值用氨水调节到为7.5，再将该溶液逐滴滴加到体积为500mL、pH为7.5的0.4mol/L(NH₄)₂HPO₄水溶液中，滴加完毕后继续搅拌6小时，然后将反应沉积物过滤，用去离子水和无水乙醇依次洗涤3次和1次，在120℃下烘干，经1100℃下煅烧3小时，再球磨4小时，从而获得颗粒度在0.5～5μm的β-磷酸三钙粉体。

3)步骤1)和2)得到的掺镁硅灰石和β-磷酸三钙超细粉体按98％和2％质量百分数共称取5.0g并混合，再将混合粉体按固/液质量比为1:0.8分散到质量浓度为6％的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，喷头口直径为300μm，再按预设程序将相邻平行糊状物间距设置为380μm，将储液池中的糊状物进行三维打印形成矩形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在80℃下干燥处理8小时，然后采用一步烧结法在1150℃下保温烧结3小时，从而得到由镁掺杂β-硅灰石与β-磷酸三钙复合的多孔陶瓷多孔材料(如附图2所示)；采用阿基米德法检测到多孔陶瓷材料的孔隙率为63±1.8％；将扫面电镜(SEM)观察可见断面多孔壁内高度烧结，晶粒不存在明显长大(如附图3所示)；将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后，SEM观察到表面形成仿生类骨磷灰石沉积层，表明具有优良生物活性(如附图4所示)；经力学测试，该多孔陶瓷材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在130MPa以上，抗弯强度也均在55MPa以上(如附图5所示)。

实施例2：

1)将500mL的0.40mol/LCa(NO₃)₂、0.057mol/LMgCl₂水溶液的pH值用氨水调节到为9.0，再将该溶液逐滴滴加到体积为500mL的0.457mol/LNa₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌12小时，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤1次，在120℃下烘干，经1200℃下煅烧1小时，再球磨6小时，从而获得颗粒度在0.5～2μm的镁掺杂硅灰石-假硅灰石复合粉体。经原子吸收光谱分析测试，粉体中镁质量含量为3.0％。

2)将500mL的0.50mol/LCaCl₂水溶液的pH值用氨水调节到为10.5，再将该溶液逐滴滴加到体积为500mL、pH值用氨水调节到为10.5的0.30mol/L(NH₄)₃PO₄水溶液中，滴加完毕后继续搅拌8小时，然后将反应沉积物过滤，用去离子水和无水乙醇依次洗涤3次和1次，在120℃下烘干，经1050℃下煅烧6小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在1～8μm的超细磷灰石粉体。

3)步骤1)和2)得到的掺镁硅灰石-假硅灰石和磷灰石超细粉体按70％和30％质量百分数共称量5.0g并混合，再将混合粉体按固/液质量比为1:1.4分散到浓度为7％的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，喷头口直径为300μm，再按预设程序将相邻平行糊状物间距设置为350μm，将储液池中的糊状物进行三维打印形成矩形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在80℃下干燥处理12小时，然后采用两步烧结法烧结：即先在1150℃下保温烧结15分钟后再快速降温到1050℃烧结3小时，从而得到由镁掺杂假硅灰石与磷灰石复合的多孔陶瓷材料；采用阿基米德法检测到多孔陶瓷材料的孔隙率为68±1.4％；将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后SEM观察到表面形成仿生类骨磷灰石沉积层，表明具有优良生物活性；经力学测试，该多孔陶瓷材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在80MPa以上，抗弯强度也均在25MPa以上(如附图6所示)。

实施例3：

1)将500mL的0.50mol/LCa(NO₃)₂、0.001mol/LMg(NO₃)₂水溶液的pH值用氨水调节到为11.0，再将该溶液逐滴滴加到体积为500mL的0.501mol/LNa₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌9小时，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤1次，在120℃下烘干，经1250℃下煅烧2小时，再球磨4小时，从而获得颗粒度在0.8～4μm的镁掺杂假硅灰石粉体。经原子吸收光谱分析测试，粉体中镁质量含量为0.2％。

2)将500mL的0.50mol/LCa(NO₃)₂水溶液的pH值用氨水调节到为10.5，再将该溶液逐滴滴加到体积为500mL、pH值用氨水调节到为10.5的0.38mol/L(NH₄)₃PO₄水溶液中，滴加完毕后继续搅拌12小时，然后将反应沉积物过滤，用去离子水和无水乙醇依次洗涤3次和1次，在100℃下烘干，经1200℃下煅烧2小时，再球磨6小时，从而获得颗粒度在1～3μm的超细磷灰石/β-磷酸三钙双相复合粉体。

3)步骤1)和2)得到的镁掺杂假硅灰石粉体和超细磷灰石/β-磷酸三钙双相复合粉体按40％和60％质量百分数共称量5g并混合，再将混合粉体按固/液质量比为1:0.7分散到浓度为7％的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，喷头口直径为300μm，再按预设程序将相邻平行糊状物间距设置为580μm，将储液池中的糊状物进行三维打印形成矩形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在80℃下干燥处理12小时，然后采用一步烧结法在1100℃下保温烧结4小时，从而得到由镁掺杂假硅灰石与双相磷酸钙复合的多孔陶瓷多孔材料(如附图7所示)；采用阿基米德法检测到多孔陶瓷材料的孔隙率为77±3.2％；将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后，SEM观察到表面形成仿生类骨磷灰石沉积层，表明具有优良生物活性；经力学测试，该多孔陶瓷材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在70MPa以上，抗弯强度也均在18MPa以上。

实施例4：

同实施例1，区别在于步骤1)中使用的无机盐Ca(CH₃COO)₂、MgCl₂、Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.5mol/L、0.025mol/L和0.525mol/L，煅烧温度调整为1050℃，球磨时间调整为8小时；步骤2)中Ca(NO₃)₂和(NH4)₂HPO₄的浓度分别调整为0.5mol/L和0.42mol/L，过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在1150℃下煅烧4小时制备双相磷酸钙粉体；步骤3)中掺镁硅灰石和双相磷酸钙超细粉体按85％和15％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1分散到浓度为5.2％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为67.6±1.3％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在120MPa以上，抗弯强度也均在50MPa以上。

实施例5：

同实施例1，区别在于步骤1)中煅烧温度调整为1250℃制备掺镁假硅灰石；步骤2)中使用的无机盐CaCl₂和(NH4)₃PO₄的浓度分别调整为0.5mol/L和0.3mol/L，过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在800℃下煅烧制备磷灰石粉体；步骤3)中掺镁假硅灰石和磷灰石超细粉体按50％和50％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1分散到浓度为5.5％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为71.2±1.8％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在60MPa以上，抗弯强度也均在20MPa以上。

实施例6：

同实施例1，区别在于步骤1)中使用的无机盐CaCl₂、MgCl₂、Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.4mol/L、0.05mol/L和0.45mol/L，煅烧温度调整为800℃；步骤2)中使用的无机盐CaCl₂和(NH4)₃PO₄的浓度分别调整为0.6mol/L和0.4mol/L，过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在1000℃下煅烧制备β-磷酸三钙粉体；步骤3)中掺镁硅灰石和β-磷酸三钙超细粉体按70％和30％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1.2分散到浓度为6.5％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为64.6±1.1％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在90MPa以上，抗弯强度也均在48MPa以上。

实施例7：

同实施例1，区别在于步骤1)中使用的无机盐Ca(CH₃COO)₂、MgCl₂、Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.5mol/L、0.025mol/L和0.525mol/L，煅烧温度调整为1050℃，球磨时间调整为8小时；步骤2)中Ca(NO₃)₂和(NH4)₂HPO₄的浓度分别调整为0.5mol/L和0.42mol/L，并预先向Ca(NO₃)₂溶液中按钙离子摩尔浓度的5％添加Cu(NO₃)₂，将过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在1150℃下煅烧4小时制备掺铜双相磷酸钙粉体；步骤3)中掺镁硅灰石和掺铜双相磷酸钙超细粉体按85％和15％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1分散到浓度为5.2％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为65.8±1.9％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在110MPa以上，抗弯强度也均在47MPa以上。

实施例8：

同实施例1，区别在于步骤1)中煅烧温度调整为1250℃制备掺镁假硅灰石；步骤2)中使用的无机盐CaCl₂和(NH4)₃PO₄的浓度分别调整为0.5mol/L和0.3mol/L，并预先向Ca(NO₃)₂溶液中按钙离子摩尔浓度的8％添加ZnCl₂，过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在850℃下煅烧制备锌掺杂磷灰石粉体；步骤3)中掺镁假硅灰石和锌掺杂磷灰石超细粉体按50％和50％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1分散到浓度为5.5％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为72.2±1.4％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在56MPa以上，抗弯强度也均在17MPa以上。

实施例9：

同实施例1，区别在于步骤1)中使用的无机盐CaCl₂、MgCl₂、Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.4mol/L、0.05mol/L和0.45mol/L，煅烧温度调整为800℃；步骤2)中使用的无机盐CaCl₂和(NH4)₃PO₄的浓度分别调整为0.6mol/L和0.4mol/L，并预先向(NH4)₃PO₄溶液中按磷酸根离子摩尔浓度的8％添加HBO₃，过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在1000℃下煅烧制备硼掺杂β-磷酸三钙粉体；步骤3)中掺镁硅灰石和硼掺杂β-磷酸三钙超细粉体按70％和30％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1.2分散到浓度为6.5％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为62.9±1.7％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在105MPa以上，抗弯强度也均在60MPa以上。

实施例10：

同实施例1，区别在于步骤1)中使用的无机盐Ca(CH₃COO)₂、MgCl₂、Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.5mol/L、0.025mol/L和0.525mol/L，煅烧温度调整为1050℃，球磨时间调整为8小时；步骤2)中Ca(NO₃)₂和(NH4)₂HPO₄的浓度分别调整为0.5mol/L和0.42mol/L，并预先向Ca(NO₃)₂溶液中按钙离子摩尔浓度的5％分别添加Cu(NO₃)₂和Zn(NO₃)₂，将过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在1150℃下煅烧4小时制备铜、锌共掺杂双相磷酸钙粉体；步骤3)中掺镁硅灰石和铜、锌共掺杂双相磷酸钙超细粉体按88％和12％质量百分数称量和混合，混合粉体按固/液质量比为1:1分散到浓度为5.2％的聚乙烯醇水溶液中，其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为63.2±1.1％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在117MPa以上，抗弯强度也均在54MPa以上。

实施例11：

同实施例1，区别在于步骤2)中钙盐和磷酸盐溶液的pH值均调节到11.5，过滤、洗涤和干燥后的沉淀物在1250℃下煅烧6小时制备超细磷灰石/α-磷酸三钙双相复合粉体；步骤3)中将混合粉体按固/液质量比为1:1.2分散到浓度为4％的聚乙烯醇水溶液中进行混合制备糊状物。其它条件不变，所制备的多孔陶瓷材料的孔隙率为66.9±1.2％，将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时和168小时后抗压强度维持在115MPa以上，抗弯强度也均在53MPa以上。

实施例验证

应用实施例1、实施例2、实施例3制备的三种多孔陶瓷材料的骨损伤再生修复活性和降解性进行测试，具体如下：对样品进行高压蒸气灭菌，对36只4月周龄健康雄性新西兰大白兔(体重3.0±0.1Kg)中其中30只等分为3组，经全身消毒灭菌后，在后腿股骨颈距关节头2.2cm处沿骨干方向用骨钻造直径为6mm、深度为9mm的缺损，并且在同一动物背部切开皮层和肌肉层，分别建立骨缺损和肌肉包埋模型。分别填充实施例1、2和3制备的生物活性陶瓷多孔材料，剩余6只也实施骨损伤并保留损伤不填充材料，即为空白对照组。然后，进行组织缝合，并注射静脉注射抗生素。标准条件下饲养第6、12和18周末分别对其活体X光测试后，并大体拍照，观察缺损修复效果。结果显示，空白对照组骨缺损修复效率极低，12周后骨修复率不到20％。实验组结果如下：

以实施例1的多孔陶瓷材料填充组：前6周多孔材料孔道网络内存在新生骨发育和丰富血管化发生，背埋材料多孔网络出现血管化，材料显示降解，无任何炎症反应迹象；12周后，新骨再生率达到47.3％，材料残留率为33.6％，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料残留率达到41.2％；18周后骨缺损内材料残余率为13.9％，骨再生率达到86％以上，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料降解率达到78.8％；

以实施例2的多孔材料填充组：前6周材料孔道网络内存在幼骨发育和血管化发生，背埋材料多孔网络出现血管化，材料显示降解，无炎症反应迹象；12周后新骨再生率达到42.6％，材料残留率为45.1％，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料残留率为51.6％；18周后骨缺损内材料残留率为27.3％，骨再生率达到76％以上，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料降解率达到69.4％。

以实施例3的多孔陶瓷材料填充组：6周后材料孔道网络内存在新生骨发育和丰富血管化发生，背埋材料2～6周过程创面无炎症，6周时多孔网络出现血管化，材料显示降解，无炎症反应迹象；12周后新骨再生率达到45.6％，材料残留率为36.4％，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料残留率为46.2％；18周后骨缺损内材料残留率为21.9％，骨再生率达到81％以上，并形成哈弗系统，表明发生了骨改建，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料降解率达到72.3％。

由此可见，本发明中多孔陶瓷材料完全可对骨缺损进行骨诱导和传导再生修复，材料制备工艺简单，满足了多种医学应用需求，技术效果显著突出。

Claims (10)

1.一种可降解生物活性多孔陶瓷材料，其特征在于：其成分主要包括可生物降解性的钙镁硅酸盐和钙磷酸盐，且其中钙镁硅酸盐重量百分数含量为40～98％，多孔陶瓷材料内相邻孔道相互贯通，钙镁硅酸盐是镁质量百分数为0.2～3.0％的硅灰石或假硅灰石，钙磷酸盐是磷酸三钙、磷灰石或者二者的复合物。

2.根据权利要求1所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料，其特征在于：所述多孔陶瓷材料内贯通孔道的尺度为100～700μm左右，孔隙率大约为35～80％。

3.一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将可溶性钙盐、镁盐溶解于去离子水中，调节溶液的pH为9.0～11.0，再将该溶液滴加到连续搅拌的硅酸钠溶液中，镁离子、钙离子、硅酸根离子的摩尔比为1:(7～500):(7～500)，滴加完后下继续搅拌陈化，然后经过滤、洗涤、干燥处理，并在800～1250℃下煅烧后得到钙镁硅酸盐粉体；

2)将可溶性钙盐和磷酸盐分别溶解于去离子水中，调节两种溶液的pH值为7.5～11.5，再将钙盐溶液滴加到连续搅拌的磷酸盐溶液中，磷酸根离子与钙离子的摩尔比为1:(1.0～1.67)，滴加完后下继续搅拌陈化，然后经过滤、洗涤、干燥处理，在800～1250℃下煅烧后得到钙磷酸盐粉体；

3)步骤1)和2)得到的钙镁硅酸盐和钙磷酸盐粉体进行混合并球磨处理，混合物中钙镁硅酸盐的质量百分数为40～98％，再将球磨后的混合粉体按固/液质量比为1:(0.7～1.4)分散到含有质量浓度为4～7％聚乙烯醇的水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物；

4)将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，按预设外观和孔道形态打印出多孔材料；

5)再将步骤4)得到的多孔材料干燥除去水分，在1000～1350℃下烧结1～8小时，从而得到可降解生物活性多孔陶瓷材料。

4.根据权利要求3所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)和步骤2)中调节pH值使用的溶液为氨水。

5.根据权利要求3所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的钙盐是硝酸钙、氯化钙或乙酸钙，所述的镁盐是硝酸镁、氯化镁或乙酸镁，所述的可溶性磷酸盐是磷酸钠、磷酸钾、磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸氢二铵的一种或任意几种的组合。

6.根据权利要求3所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)烧结处理过程为一步烧结或者两步烧结。

7.根据权利要求1～2任一所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料或者权利要求3～6任一所述多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的钙镁硅酸盐是镁掺杂硅灰石、假硅灰石或两者任意比例的复合物；所述的钙磷酸盐是磷酸三钙、磷灰石或者二者的复合物，磷酸三钙与磷灰石复合物之间比例没有严格限制。

8.根据权利要求1～2任一所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料或者权利要求3～6任一所述多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的钙磷酸盐中还掺杂有铜、锌和硼中的一种或几者的任意比例组合。

9.根据权利要求4～6任一所述多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤4)替换为：将混匀糊状物采用增材制造方法、多孔泡沫模板或者微球颗粒堆砌模板制备方法构建制成生物活性多孔陶瓷材料。

10.根据权利要求1所述的一种可降解生物活性多孔陶瓷材料的应用，其特征在于：在整形外科、颌面外科、口腔科、脑外科、骨科或眼科的骨缺损原位修复和骨再生中的应用。